计算组成原理-概论

电子计算机与存储程序控制

电子计算机是一种不需要人工干预，能自动、高速、准确地对各种信息进行处理和存储的电子设备。
电子计算从总体上分为两大类：电子模拟计算机和电子数字计算机；

分类	特点
电子模拟计算机	处理的信息是连续变化的物理量，运算的过程也是连续的
电子数字计算机	处理的信息是在时间上离散的数字量，运算的过程不连续

电子计算机的发展

计算机的发展历史

计算机中最常见的分代方法是根据计算机采用的电子器件来划分的：

时代	时期	特点
第一代	1946 -1958年	电子管计算机
第二代	1958 -1964年	晶体管计算机
第三代	1964 -1971年	小、中规模集成电路（SSI、MSI）计算机
第四代	1971 - 至今	大、超大规模集成电路（LSI 、VLSI）计算机

计算机的发展趋势

现在，世界已进入计算机时代，计算机的发展趋势正向着“两极”分化：

名称	特点	用途
微型机	微型化、网络化、高性能、多用途方向发展	手机、便携式电脑等
巨型机	更巨型化、超高速、并行计算、智能化方向发展	天河系列、神威·太湖之光

随着新的元器件及其技术的发展，新型的超导计算机、量子计算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机等将会在不久的将来走进人们的生活，遍布各个领域。

存储程序的概念

存储程序概念是冯·诺依曼等人于1945年6月首先提出来的，并应用于1951年诞生的EDVAC计算机上，它可以简要地概括为以下3点：

1. 计算机在硬件层面应由五大基本部件组成
2. 计算机内部采用二进制来表示指令和数据
3. 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义

计算机硬件的组成

原始的冯·诺依曼计算机在结构上是以运算器为中心的，而发展到现在，已转向以存储器为中心。

由图可知：中央处理器（CPU）是由运算器和控制器组成，而由CPU和主存储器组成主机部分；输入输出设备和辅助存储器组成外设部分，辅助存储器可以指代我们日常生活中的硬盘。

计算机的主要部件

1. 输入设备，输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式，常见的输入设备有鼠标、键盘和摄像头等；
2. 输出设备，输出设备的任务是把计算机的处理结果以数字、字符、图形、图像和声音的形式送出计算机，常见的输出设备有显示屏、打印机和绘图仪等；
3. 存储器，存储器是用来存放程序和数据的部件，通常采用三级存储系统，如高速缓存充存储器-主存储器-辅助存储器；
4. 运算器，运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算时算术运算和逻辑运算，所以又称算术逻辑运算部件，运算器的核心是累加器；
5. 控制器，控制器是整个计算机的指挥中心，它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。

计算机各大部件之间的连接

了解了计算计算机的五大部件之后，我们现在了解一下计算机各大部件之间是采用某种方式连接起来的：

小、微型机的典型结构：总线结构
总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发生与接收各部件的信息，总线并不是单一的一根线，他还包括地址总线（单向），数据总线（双向）和控制总线。

总线结构的优点：

• 易于扩展，共享性高
• 分时传输

大、中型计算机的典型结构：四级结构
大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。在系统连接上分为四级：主机、通道、设备控制器和外部设备。

冯·诺依曼结构与哈佛结构的存储器设计思想

冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种传统的存储器设计思想，即指令和数据是不加区别地混合存储在同一存储器中的，共享数据总线。

哈佛结构的指令和数据是完全分开的存储器分为两部分，一个是程序存储器，用来存放指令，另一个是数据存储器，用来存放数据，哈佛结构至少有两组总线：程序存储器（PM）的数据总线和地址总线，数据存储器（DM）的数据总线和地址总线。

将冯诺依曼结构和哈佛结构结合起来，不仅可以提高主存储器的利用率（哈佛结构会降低主存储器的利用率），而且可以提高程序执行的效率，缩短指令执行的时钟周期（冯·诺依曼结构会造成总线拥堵，降低运行速度）。

借鉴

蒋本珊.计算机组成原理(第4版)[M].北京.清华大学出版社,2020:1-8.